聚醚醚酮3D 打印拉絲缺陷自適應(yīng)路徑工藝優(yōu)化

馬浩宇，曹 毅，馬聚隆，嚴(yán)圣超，李滌塵

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，快速制造國(guó)家工程研究中心，高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新研究中心，陜西 西安 710049）

高性能聚醚醚酮（PEEK）由于具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕和抗溶解等優(yōu)異性能，可制造加工成各種機(jī)械零部件，因而在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的聚醚醚酮成形方式主要有擠出成形、注塑成形和模壓成形， 但由于模具設(shè)計(jì)與制造工藝限制，無法滿足某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形需求[2-3]，然而高性能聚醚醚酮現(xiàn)可通過熔融擠出成形用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，已廣泛應(yīng)用于前沿裝備制造領(lǐng)域[4-6]。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熔融擠出成形過程中，打印頭需要頻繁跳轉(zhuǎn)以完整打印當(dāng)前層結(jié)構(gòu)，但對(duì)于高性能聚合物尤其是半結(jié)晶聚合物材料， 在結(jié)晶相變過程中，由高溫瞬間降至室溫，由于噴嘴的快速移動(dòng)導(dǎo)致熔融材料凝結(jié)不充分，進(jìn)而產(chǎn)生絲狀材料并附著在打印結(jié)構(gòu)表面。 對(duì)于高黏度材料，該絲狀材料呈現(xiàn)不均勻、不一致性，材料中間直徑為1/10 至1/2 噴嘴孔徑，材料端部直徑與噴嘴孔徑相近，此外，由于絲狀材料難以拉斷，且聚醚醚酮相較于ABS 等低黏度結(jié)晶型聚合物產(chǎn)生的拉絲更難去除，導(dǎo)致成形質(zhì)量較差。 綜上，高性能聚合物材料在熔融擠出成形過程中的這類拉絲導(dǎo)致的問題已成為影響航天飛機(jī)機(jī)翼、高精密武器等裝配質(zhì)量的重要因素。

針對(duì)熔融擠出成形中拉絲質(zhì)量問題，國(guó)內(nèi)外已開展了相關(guān)研究， 目前主要通過工藝參數(shù)優(yōu)化、打印路徑優(yōu)化、 打印頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化等方法來改善。 潘俊峰等[7]進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化改善拉絲質(zhì)量的研究，通過改變切片中的相關(guān)參數(shù)，最終篩選出改善拉絲的最佳參數(shù)。 葉總一等[8]進(jìn)行了打印路徑優(yōu)化改善拉絲的研究，通過合理安排擠出路徑提高產(chǎn)品的表面工藝質(zhì)量，減少打印過程中的空走路徑降低拉絲現(xiàn)象。 此外，研究人員還進(jìn)行了打印頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)拉絲現(xiàn)象的改善研究。 FU 等[9]提出了一種新的噴嘴結(jié)構(gòu)，在散熱管和中空喉管之間嵌入了硅膠密封套，使絲材回抽時(shí)噴嘴口處形成負(fù)壓以改善拉絲。LI 等[10]對(duì)擠出噴嘴進(jìn)行了合理改進(jìn)，在噴嘴孔徑不變的條件下加長(zhǎng)噴嘴前端，通過增加材料與噴嘴內(nèi)壁摩擦力以改善拉絲。 以上針對(duì)拉絲現(xiàn)象改善的研究中，均采用ABS 或PLA 作為材料，二者均屬于結(jié)晶型聚合物材料，成形溫度較低，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的拉絲現(xiàn)象，通過調(diào)控工藝參數(shù)帶來拉絲現(xiàn)象改善的效果有限；然而，對(duì)于成形溫度高且具有高黏度特性的半結(jié)晶聚合物聚醚醚酮，其冷卻至室溫時(shí)間長(zhǎng)、冷卻中始終保持較高黏度，在熔融擠出成形過程中，相比于以上兩種材料更易出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，必須加以解決。

本文將材料黏度與打印工藝相匹配，通過材料黏度設(shè)置相應(yīng)的打印速度、跳轉(zhuǎn)速度、打印溫度等工藝參數(shù)，并進(jìn)行工藝路徑優(yōu)化，形成打印結(jié)構(gòu)與材料黏度相匹配的拉絲改善工藝，旨在解決噴嘴區(qū)域未完全結(jié)晶材料微溢后的快速消除問題，并改善高黏度材料的拉絲現(xiàn)象，以實(shí)現(xiàn)高性能聚合物材料的高質(zhì)量熔融擠出成形。

1 熔融擠出成形拉絲原理與工藝路徑優(yōu)化

1.1 熔融擠出成形拉絲原理

在打印頭跳轉(zhuǎn)前，由于回抽不充分，噴嘴口會(huì)產(chǎn)生熔融材料微溢出，高溫狀態(tài)下材料由噴嘴擠出后并不能及時(shí)冷卻固化， 在打印頭進(jìn)行跳轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴將這一部分材料拉長(zhǎng)形成細(xì)絲，冷卻固化后形成具有一定長(zhǎng)度及徑向尺寸的絲狀結(jié)構(gòu)。 圖1 是打印中較為常見的三種拉絲類型，分別是跳轉(zhuǎn)路徑橫跨多個(gè)結(jié)構(gòu)單元所形成的長(zhǎng)距離跳轉(zhuǎn)拉絲、跳轉(zhuǎn)路徑在一個(gè)單元內(nèi)部所形成的短距離跳轉(zhuǎn)拉絲及細(xì)絲在打印頭空駛過程中拉斷形成單側(cè)懸空跳轉(zhuǎn)拉絲。對(duì)于高性能的PEEK 材料， 當(dāng)使用0.4 mm 孔徑噴嘴打印時(shí)，拉絲絲徑可達(dá)0.03～0.21 mm，若不采取改善措施，將對(duì)打印零件質(zhì)量帶來重大影響。

圖1 三種拉絲類型示意圖

1.2 拉絲改善工藝路徑優(yōu)化方法

高性能PEEK 在打印溫度400 ℃時(shí)， 熔融指數(shù)可達(dá)1.69 g/min，屬于高黏度材料。 在聚醚醚酮的熔融擠出成形過程中，由于回抽操作無法完全避免熔融材料由噴嘴口溢出，本研究通過工藝路徑優(yōu)化來解決材料溢出噴嘴后續(xù)的拉絲問題， 基本原理為：在空駛前的上一條路徑材料沉積完成后，使打印頭沿相同路徑進(jìn)行與該條路徑沉積方向相反的移動(dòng)，以將噴嘴處的溢料通過擦嘴的方式再次沉積至上一條已打印路徑上，直到將溢料全部粘接至該條路徑上， 最后進(jìn)行空駛操作移動(dòng)至下一打印線段起點(diǎn)。 如圖2 所示，由于溢料相對(duì)噴嘴正常沉積移動(dòng)時(shí)的出絲量少，故將打印頭相對(duì)上一條已打印路徑抬升一段高度，給材料留有一定的二次沉積空間。

圖2 工藝路徑優(yōu)化過程原理圖

圖3 是工藝路徑優(yōu)化流程圖。 與未進(jìn)行工藝路徑優(yōu)化相比，該流程中增添了打印頭抬升、增加的空駛路徑及打印頭下降操作，其中增加的空駛路徑終點(diǎn)為與打印頭當(dāng)前所在位置有一定距離的上一條已成形路徑的起點(diǎn)。

圖3 工藝路徑優(yōu)化流程圖

2 工藝路徑優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

打印材料為高性能PEEK 材料， 絲材直徑為1.7～1.8 mm，打印前在干燥箱中60 ℃烘干6 h。打印設(shè)備為自主研發(fā)的XJ300FDM 設(shè)備，設(shè)備可成形尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，打印頭安裝有孔徑為0.4 mm 的銅鋅合金噴嘴， 高速運(yùn)動(dòng)時(shí)打印頭運(yùn)行穩(wěn)定且打印精度有保證。

2.2 試驗(yàn)方案

打印目標(biāo)為尺寸50 mm×50 mm×30 mm 的直蜂窩模型，蜂窩壁邊長(zhǎng)為6 mm，壁厚為0.4 mm，如圖4 所示。 選取該模型的原因是其打印過程中跳轉(zhuǎn)次數(shù)多，且同時(shí)存在長(zhǎng)距離與短距離跳轉(zhuǎn)，可以更全面地觀察拉絲效果。

圖4 直蜂窩模型

表1 是試驗(yàn)中設(shè)置的主要工藝參數(shù)，包括一類溫度、兩類距離、四類速度。 本研究進(jìn)行工藝路徑優(yōu)化有效性試驗(yàn)，首先探究工藝路徑優(yōu)化方案相對(duì)無回抽跳轉(zhuǎn)打印、 有回抽跳轉(zhuǎn)打印的拉絲改善效果，其空駛速度為60 mm/s；其次，進(jìn)一步在工藝路徑優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行空駛速度對(duì)拉絲影響試驗(yàn)，探究增加空駛路徑下不同空駛速度對(duì)拉絲的影響，其空駛速度分別為60、80、100 mm/s。

表1 主要工藝參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 工藝路徑優(yōu)化有效性試驗(yàn)

圖5 是無回抽跳轉(zhuǎn)打印、 有回抽跳轉(zhuǎn)打印、工藝路徑優(yōu)化三種方案下的打印效果。 當(dāng)未設(shè)置回抽時(shí)，拉絲現(xiàn)象較嚴(yán)重，同時(shí)存在長(zhǎng)距離跳轉(zhuǎn)拉絲、短距離跳轉(zhuǎn)拉絲、單側(cè)懸空跳轉(zhuǎn)拉絲狀況；當(dāng)僅設(shè)置回抽時(shí)，拉絲有所減輕，但依然存在短距離跳轉(zhuǎn)拉絲及單側(cè)懸空跳轉(zhuǎn)拉絲；當(dāng)采用工藝路徑優(yōu)化打印時(shí)，僅存在極少量的單側(cè)懸空跳轉(zhuǎn)拉絲。 試驗(yàn)結(jié)果表明，打印中進(jìn)行回抽設(shè)置可一定程度改善拉絲現(xiàn)象，但效果并不佳，這是由于回抽操作將噴嘴處大量的材料抽回腔體內(nèi)部，僅保留極少量材料以供拉絲，仍會(huì)出現(xiàn)一定程度的單側(cè)懸空跳轉(zhuǎn)拉絲或短距離跳轉(zhuǎn)拉絲；而進(jìn)行工藝路徑優(yōu)化則會(huì)進(jìn)一步減少拉絲， 這是由于跳轉(zhuǎn)路徑優(yōu)化在回抽的基礎(chǔ)上，將大部分的殘余材料通過擦嘴的方式再次沉積到已打印路徑上， 在噴嘴移動(dòng)至路徑終點(diǎn)準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴口攜帶的剩余材料已不足以形成長(zhǎng)距離或短距離跳轉(zhuǎn)拉絲，故而只生成單側(cè)懸空跳轉(zhuǎn)拉絲。

圖5 工藝路徑優(yōu)化有效性試驗(yàn)樣件

圖6 是工藝路徑優(yōu)化方案所形成結(jié)構(gòu)的側(cè)壁的光鏡測(cè)試效果。 從打印零件的微觀結(jié)構(gòu)可以看到，噴嘴處微小溢料已沉積至已打印結(jié)構(gòu)上，如圖中放大的溢料二次沉積后形成的隆起狀材料。 經(jīng)過工藝路徑優(yōu)化的蜂窩壁， 在每層距離路徑端點(diǎn)處，整齊地存在一排隆起，其厚度沿優(yōu)化路徑沉積方向逐漸減小，最終消失于兩層路徑之間。 分析可知，在噴嘴沿優(yōu)化路徑移動(dòng)初始，回抽后噴嘴處微小材料還未溢出，直到隆起時(shí)才瞬間溢出，導(dǎo)致隆起狀材料產(chǎn)生。 該部分材料在噴嘴的帶動(dòng)下沿優(yōu)化路徑沉積方向拉長(zhǎng)并沉積在已打印路徑，導(dǎo)致優(yōu)化路徑在側(cè)壁表現(xiàn)為由隆起至逐漸消失。 該光鏡測(cè)試結(jié)果表明， 噴嘴攜帶的微小溢料確實(shí)沉積到已打印路徑上，這是拉絲大幅改善的直接原因。

圖6 結(jié)構(gòu)側(cè)壁的光鏡測(cè)試

圖7 探究了不同優(yōu)化路徑段空駛速度對(duì)拉絲現(xiàn)象的影響。 結(jié)果表明，空駛速度越高，拉絲改善越明顯，當(dāng)空駛速度達(dá)100 mm/s 時(shí)，拉絲已完全消除，這是由于回抽后噴嘴口處的少量材料在較快的空駛速度下被迅速拉出，全部沉積在增加的空駛路徑上，打印頭再進(jìn)行跳轉(zhuǎn)則不會(huì)產(chǎn)生拉絲。

圖7 空駛速度對(duì)拉絲的影響實(shí)驗(yàn)樣件

3.2 工藝路徑優(yōu)化打印質(zhì)量及效率分析

通過上述試驗(yàn)可知，工藝路徑優(yōu)化方案對(duì)于解決聚醚醚酮熔融擠出成形拉絲問題有顯著改善效果。 在進(jìn)行工藝路徑優(yōu)化前，所打印的樣件拉絲較為嚴(yán)重，同時(shí)存在三種類型的拉絲現(xiàn)象且細(xì)絲絲徑較粗，嚴(yán)重影響打印質(zhì)量；進(jìn)行工藝路徑優(yōu)化后，三種類型拉絲全部消失，且結(jié)構(gòu)壁質(zhì)量較光滑。 可見，工藝路徑優(yōu)化方案從根源上阻止了拉絲的產(chǎn)生，大幅度提升了聚醚醚酮熔融擠出成形的打印質(zhì)量。

同時(shí)，本研究分析了工藝路徑優(yōu)化后的模型打印效率，由切片預(yù)估打印時(shí)間可得，尺寸為30 mm×30 mm×30 mm 的模型在工藝路徑優(yōu)化前的打印時(shí)間為3190 s， 優(yōu)化后為3198 s， 增加的時(shí)間僅占0.25%， 證明工藝路徑優(yōu)化方案對(duì)整體打印效率影響較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文開展了材料黏度與打印工藝相匹配的工藝研究，針對(duì)高黏度的高性能PEEK 材料，通過對(duì)熔融擠出成形過程進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置以及工藝路徑優(yōu)化，研究了不同工藝路徑方案和不同優(yōu)化路徑段空駛速度對(duì)拉絲現(xiàn)象的影響。 結(jié)果表明，在空駛速度100 mm/s 的工藝路徑優(yōu)化下，拉絲現(xiàn)象已完全消失，且并未影響打印效率，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能PEEK材料的高質(zhì)量熔融擠出成形。